导言:卫星作为全球可持续性的催化剂

卫星系统已经从专门的军事和电信工具转变为监测和管理地球的基本基础设施。 它们能够反复和几乎实时地在广大地区收集数据,这使得它们对于跟踪环境变化、规划资源使用和核实政策遵守情况不可或缺。 2015年通过的联合国17项可持续发展目标(SDG)为消除贫困、不平等、气候变化和环境退化提供了一个全面的框架。 卫星观测提供了衡量实现这些目标进展情况和在最需要的地方指导干预措施所需的客观、一致和可扩展的数据。

本条探讨了不同类型卫星系统——地球观测、导航和通信——如何促进每个可持续发展目标领域,审查了具体的使用案例,讨论了卫星数据的好处和挑战,并探讨了将进一步扩大天基技术在建设可持续未来中的作用的新趋势。

了解卫星系统及其能力

卫星系统按功能分为三大类:地球观测、全球导航卫星系统和通信,所有这三个系统都生成可用于可持续发展的数据或服务。

地球观测卫星

地球轨道卫星携带的传感器可以捕捉可见的、红外线、雷达和多光谱图像。 这些传感器探测到土地覆盖、植被健康、水质、大气组成等方面的变化。 显著的星座包括美国航天局的Terra和Aqua、欧洲航天局的哨兵系列以及行星鸽卫星等商业船队。 地球轨道数据被用于监测森林砍伐、城市增长、农业生产力和灾害影响。

全球导航卫星系统

全球导航卫星系统 — — 如美国全球定位系统、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略和中国的北斗 — — 提供了精确的位置和时间信息。 这一能力支持精准农业、高效物流、基础设施管理和应急反应。 全球导航卫星系统的时间戳对同步环境传感器网络也至关重要。

通信卫星

远程地面站和全球网络之间的通信卫星中继数据,在服务不足的地区能够进行远程教育、远程医疗和远程通勤,直接有助于SDG 4(优质教育)、SDG 3(良好健康和福祉)和SDG 9(工业、创新和基础设施),在灾害情况下,一旦地面网络受损,它们就恢复了连通性。

卫星数据如何推动整个可持续发展目标的进展

虽然卫星系统几乎触及每个可持续发展目标,但一些目标受益于特别成熟的应用。

气候行动(SDG 13)

卫星是监测关键气候变量的主要手段:温室气体浓度、海平面上升、冰盖质量平衡和不断变化的天气模式。 欧空局的气候变化举措(CCI)提供了基本气候变量的长期、一致的记录[。 例如,哥白尼哨兵-6卫星轨道海平面上升精确度,帮助沿岸国家规划适应措施。 没有天基观测,就不可能验证气候模型或评估巴黎协定下减排承诺的有效性。

陆上生活(第15个目标)

地球观测有助于系统地绘制森林覆盖、土地退化和生物多样性热点的地图,由大地卫星和哨兵数据 提供动力的全球森林观测平台使当局能够近实时进行非法伐木[,卫星数据还通过跟踪旱地的土地生产力趋势来支持《联合国防治荒漠化公约》,对生物多样性、半干旱和雷达传感器帮助估计生物量和生境结构,为养护优先事项提供信息。

清洁饮水和卫生(SDG 6)

卫星图像可以评估地表水面积,检测藻类的开花,并监测水库中的沉积。 联合国测量与水有关的生态系统范围变化的SDG指标6.6.1在很大程度上依赖于EO数据。 比如,欧盟委员会联合研究中心利用Sentinel-2数据绘制非洲各地季节性水体的地图。 在卫生方面,卫星数据通过确定人口密度和洪水易发区来帮助规划厕所布置。

零饥饿和可持续农业

精密农业应用利用MODIS和Sentinel-2等卫星的NDVI(有机差异植被指数)时间序列来监测作物健康和预测产量。 粮农组织的农业压力指数系统(ASIS)利用这些数据发布农业干旱预警[。 农民,特别是小农,可以接受由卫星读取的量身定做的灌溉和化肥建议,从而减少浪费,增加粮食安全,而不会扩大农田。

其他关键可持续发展目标

  • SDG 3(良好健康):卫星数据跟踪空气污染(使用MODIS的气雾光学深度),通过绘制适当的蚊虫栖息地图监测病媒,并通过通信卫星支持远程医疗.
  • SDG 7(负担得起的清洁能源): 太阳能和风力资源测绘依赖于卫星产生的辐射和表面风速数据,用于选址和电网集成.
  • SDG 11(可持续城市):城市热岛效应、土地使用变化和非正规住区增长都通过EO数据进行监测。 来自VIIRS的夜光图像揭示了经济活动和能源获取模式。
  • SDG 14(水下生命):海洋色感应器探测浮游植物的开花,海面温度支持渔业管理,高程计测量海平面以跟踪气候对海洋生态系统的影响.

卫星系统促进可持续发展的益处和局限性

优点

  • 全球和重复覆盖:卫星每几天可以观测地球上的任何地点,包括无法进行地面勘测的偏远、受冲突影响或政治敏感地区。
  • 标准化数据:传感器校准和处理协议确保不同日期和区域的数据能够可靠地比较——这是跟踪长期SDG趋势的先决条件.
  • 成本-有效性: 一旦卫星进入轨道,获得额外图像的边际成本与部署实地小组相比较低,开放数据政策(如Landsat, Sentinel)已大大降低了发展中国家的准入障碍。
  • 多时分析:历史档案(Landsat追溯到1972年)允许对土地使用变化进行追溯性研究,从而能够进行循证政策调整.

挑战

  • 高入场成本: 建造和发射卫星仍然昂贵,尽管小型卫星和座椅发射正在降低门槛,许多发展中国家仍然依赖外部数据和基础设施。
  • 数据处理能力: 原始卫星数据需要复杂的处理和解释,许多国家缺乏将像素转化为可操作知识所需的熟练分析师和软件平台。
  • 织物和云覆盖: 光学传感器无法通过云层看到,限制了热带地区的观测. 合成孔径雷达(SAR)可以穿透云层,但SAR数据使用较少,需要不同的专业知识.
  • 数据隐私和安全:高分辨率图像引起人们对监视和滥用的关注,平衡透明度和隐私保护是一个持续的挑战,特别是在城市地区的申请。
  • 空间基础设施的可持续性:空间碎片和火箭发射的碳足迹是环境成本,必须对照卫星服务的好处加以权衡。

卫星系统在实现可持续发展目标方面的未来

技术、数据获取和国际合作方面的进展将扩大卫星对可持续发展的影响。

技术创新

小型卫星(CubeSats和纳米卫星)的集成正在将重访频率提高到每小时或每天,从而可以对毁林或洪水等动态事件进行近实时监测。 机载人工智能现在可以直接在轨道上处理数据,减少下行链带宽要求并加快灾害应对速度。 超光谱传感器和改良的大气校正算法将提供有关水质、土壤类型和作物养分的更详细信息。

国际合作和数据共享

开放数据举措,如地球观测小组和联合国全球空间技术应用方案(天基信息平台),促进数据共享和能力建设,美国航天局地球观测站[和欧空局的哥白尼方案[免费提供图像,支持世界各地的研究和业务应用,空间机构与发展中国家之间的双边协定提供培训和基础设施,以确保空间数据革命中无人落在后面。

与地面数据和大赦国际的整合

最为精确的SDG指标来自卫星观测与地面真实数据(调查、气象站、实地样本)的结合。 机器学习模型正在适应这些不同的数据源的连接,从而生成贫穷、作物产量和空气质量的高分辨率地图。 随着云计算和开源工具(如谷歌地球引擎)的普及,低收入环境中研究人员和决策者进入的壁垒继续下降。

结论

卫星系统从特殊能力发展成为可持续发展工具包的基本内容,它们提供了监测每一个可持续发展目标所需的综合、频繁和一致的观测,从气候行动到零饥饿、清洁水和陆地生活,虽然成本、能力和数据解释方面的挑战依然存在,但技术进步的快速速度和日益增强的开放数据文化使天基信息比以往任何时候都更容易获得,通过继续投资于卫星基础设施、建设地方分析能力以及培育国际伙伴关系,国际社会能够充分利用天基资源的潜力,加快2030年议程的进展,建立一个真正可持续的世界。